7. Кислоти. Солі. Взаємозв'язок між класами неорганічних речовин

7.1. Кислоти

Кислоти - це електроліти, при дисоціації яких як позитивно заряджені іони утворюються тільки катіони водню H+ (точніше - іони гідроксонію H3O+).

Інше визначення: кислоти – це складні речовини, Що складаються з атома водню та кислотних залишків (табл. 7.1).

Таблиця 7.1

Формули та назви деяких кислот, кислотних залишків та солей

Формула кислоти	Назва кислоти	Кислотний залишок (аніон)	Назва солей (середніх)
HF	Фтористоводнева (плавикова)	F −	Фториди
HCl	Хлористоводородна (соляна)	Cl −	Хлориди
HBr	Бромистоводнева	Br −	Броміди
HI	Йодистоводнева	I −	Йодіди
H 2 S	Сірководнева	S 2−	Сульфіди
H 2 SO 3	Сірчиста	SO 3 2 −	Сульфіти
H 2 SO 4	Сірчана	SO 4 2 −	Сульфати
HNO 2	Азотиста	NO 2 −	Нітріти
HNO 3	Азотна	NO 3 −	Нітрати
H 2 SiO 3	Кремнієва	SiO 3 2 −	Силікати
HPO 3	Метафосфорна	PO 3 −	Метафосфати
H 3 PO 4	Ортофосфорна	PO 4 3 −	Ортофосфати (фосфати)
H 4 P 2 O 7	Пірофосфорна (двофосфорна)	P 2 O 7 4 −	Пірофосфати (дифосфати)
HMnO 4	Марганцева	MnO 4 −	Перманганати
H 2 CrO 4	Хромова	CrO 4 2 −	Хромати
H 2 Cr 2 O 7	Дихромова	Cr 2 O 7 2 −	Дихромати (біхромати)
H 2 SeO 4	Селенова	SeO 4 2 −	Селенати
H 3 BO 3	Борна	BO 3 3 −	Ортоборати
HClO	Хлорновата	ClO –	Гіпохлорити
HClO 2	Хлориста	ClO 2 −	Хлорити
HClO 3	Хлорна	ClO 3 −	Хлорати
HClO 4	Хлорна	ClO 4 −	Перхлорати
H 2 CO 3	Вугільна	CO 3 3 −	Карбонати
CH 3 COOH	Оцтова	CH 3 COO −	Ацетати
HCOOH	Мурашина	HCOO −	Форміати

За звичайних умов кислоти можуть бути твердими речовинами(H 3 PO 4 , H 3 BO 3 , H 2 SiO 3) та рідинами (HNO 3 , H 2 SO 4 , CH 3 COOH). Ці кислоти можуть існувати як в індивідуальному (100%-ному вигляді), так і у вигляді розбавлених і концентрованих розчинів. Наприклад, як в індивідуальному вигляді, так і в розчинах відомі H 2 SO 4 HNO 3 H 3 PO 4 CH 3 COOH.

Ряд кислот відомі лише у розчинах. Це все галогеноводневі (HCl, HBr, HI), сірководнева H 2 S, ціановоднева (синільна HCN), вугільна H 2 CO 3 , сірчиста H 2 SO 3 кислота, які є розчинами газів у воді. Наприклад, соляна кислота - це суміш HCl і H 2 O, вугільна - суміш CO 2 і H 2 O. Зрозуміло, що вживати вираз «розчин соляної кислоти» неправильно.

Більшість кислот розчиняються у воді, нерозчинна кремнієва кислота H 2 SiO 3 . Переважна кількість кислот мають молекулярна будова. Приклади структурних формул кислот:

У більшості молекул кисневмісних кислотвсі атоми водню пов'язані з киснем. Але є й винятки:

Кислоти класифікують за низкою ознак (табл. 7.2).

Таблиця 7.2

Класифікація кислот

Ознака класифікації	Тип кислоти	Приклади
Число іонів водню, що утворюються при повній дисоціації молекули кислоти	Одноосновні	HCl, HNO 3 , CH 3 COOH
	Двоосновні	H 2 SO 4 , H 2 S, H 2 CO 3
	Триосновні	H 3 PO 4 , H 3 AsO 4
Наявність чи відсутність у молекулі атома кисню	Кисневмісні (кислотні гідроксиди, оксокислоти)	HNO 2 , H 2 SiO 3 , H 2 SO 4
	Безкисневі	HF, H 2 S, HCN
Ступінь дисоціації (сила)	Сильні (повністю дисоціюють, сильні електроліти)	HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 (розб), HNO 3 , HClO 3 , HClO 4 , HMnO 4 , H 2 Cr 2 O 7
	Слабкі (дисоціюють частково, слабкі електроліти)	HF, HNO 2 , H 2 SO 3 , HCOOH, CH 3 COOH, H 2 SiO 3 , H 2 S, HCN, H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , HClO, HClO 2 , H 2 CO 3 , H 3 BO 3 , H 2 SO 4 (конц)
Окислювальні властивості	Окислювачі за рахунок іонів Н+ (умовно кислоти-неокислювачі)	HCl, HBr, HI, HF, H 2 SO 4 (розб), H 3 PO 4 , CH 3 COOH
	Окислювачі за рахунок аніону (кислоти-окислювачі)	HNO 3 , HMnO 4 , H 2 SO 4 (конц), H 2 Cr 2 O 7
	Відновлювачі за рахунок аніону	HCl, HBr, HI, H 2 S (але не HF)
Термічна стійкість	Існують тільки в розчинах	H 2 CO 3 , H 2 SO 3 , HClO, HClO 2
	Легко розкладаються при нагріванні	H 2 SO 3 , HNO 3 , H 2 SiO 3
	Термічно стійкі	H 2 SO 4 (кінець), H 3 PO 4

Всі загальні Хімічні властивостікислот обумовлені наявністю в їх водних розчинах надлишку катіонів водню H+(H3O+).

1. Внаслідок надлишку іонів H + водні розчини кислот змінюють забарвлення лакмусу фіолетового та метилоранжу на червоне, (фенолфталеїн забарвлення не змінює, залишається безбарвним). У водному розчині слабкою вугільної кислотилакмус не червоний, а рожевий, розчин над осадом дуже слабкої кремнієвої кислоти взагалі змінює забарвлення індикаторів.

2. Кислоти взаємодіють з основними оксидами, основами та амфотерними гідроксидами, гідратом аміаку (див. гл. 6).

Приклад 7.1. Для здійснення перетворення BaO → BaSO 4 можна використовувати: а) SO 2; б) H 2 SO 4; в) Na 2 SO 4; г) SO 3 .

Рішення. Перетворення можна здійснити, використовуючи H 2 SO 4:

BaO + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + H 2 O

BaO + SO 3 = BaSO 4

Na 2 SO 4 з BaO не реагує, а реакції BaO з SO 2 утворюється сульфіт барію:

BaO + SO 2 = BaSO 3

Відповідь: 3).

3. Кислоти реагують з аміаком та його водними розчинами з утворенням солей амонію:

HCl + NH 3 = NH 4 Cl - хлорид амонію;

H 2 SO 4 + 2NH 3 = (NH 4) 2 SO 4 - сульфат амонію.

4. Кислоти-неокислювачі з утворенням солі та виділенням водню реагують з металами, розташованими в ряду активності до водню:

H 2 SO 4 (розб) + Fe = FeSO 4 + H 2

2HCl + Zn = ZnCl 2 = H 2

Взаємодія кислот-окислювачів (HNO 3 , H 2 SO 4 (конц)) з металами дуже специфічна і розглядається щодо хімії елементів та їх сполук.

5. Кислоти взаємодіють із солями. Реакція має низку особливостей:

а) у більшості випадків при взаємодії більше сильної кислотиіз сіллю слабшої кислоти утворюється сіль слабкої кислоти і слабка кислота або, як кажуть, сильніша кислота витісняє слабшу. Ряд зменшення сили кислот виглядає так:

Приклади реакцій, що протікають:

2HCl + Na 2 CO 3 = 2NaCl + H 2 O + CO 2

H 2 CO 3 + Na 2 SiO 3 = Na 2 CO 3 + H 2 SiO 3 ↓

2CH 3 COOH + K 2 CO 3 = 2CH 3 COOK + H 2 O + CO 2

3H 2 SO 4 + 2K 3 PO 4 = 3K 2 SO 4 + 2H 3 PO 4

Не взаємодіють між собою, наприклад, KCl і H 2 SO 4 (розб), NaNO 3 і H 2 SO 4 (розб), K 2 SO 4 і HCl (HNO 3 , HBr, HI), K 3 PO 4 і H 2 CO 3 , CH 3 COOK та H 2 CO 3 ;

б) у деяких випадках слабша кислота витісняє із солі сильнішу:

CuSO 4 + H 2 S = CuS↓ + H 2 SO 4

3AgNO 3 (розб) + H 3 PO 4 = Ag 3 PO 4 ↓ + 3HNO 3 .

Такі реакції можливі тоді, коли опади отриманих солей не розчиняються в розбавлених сильних кислотах, що утворюються (H 2 SO 4 і HNO 3);

в) у разі утворення опадів, нерозчинних у сильних кислотах, можливе перебіг реакції між сильною кислотою та сіллю, утвореною іншою сильною кислотою:

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl

Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HNO 3

AgNO 3 + HCl = AgCl↓ + HNO 3

Приклад 7.2. Вкажіть ряд, у якому наведено формули речовин, що реагують з H 2 SO 4 (розб).

1) Zn, Al 2 O 3 KCl (p-p); 3) NaNO 3 (p-p), Na 2 S, NaF; 2) Cu(OH) 2 , K 2 CO 3 Ag; 4) Na 2 SO 3 Mg, Zn(OH) 2 .

Рішення. З H 2 SO 4 (розб) взаємодіють усі речовини ряду 4):

Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + SO 2

Mg + H 2 SO 4 = MgSO 4 + H 2

Zn(OH) 2 + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + 2H 2 O

У ряді 1) неможлива реакція з KCl (p-p), у ряді 2) - з Ag, у ряді 3) - з NaNO 3 (p-p).

Відповідь: 4).

6. Дуже специфічно в реакціях із солями поводиться концентрована сірчана кислота. Це нелетюча і термічно стійка кислота, тому з твердих (!) солей витісняє всі сильні кислоти, оскільки вони летючі, ніж H 2 SO 4 (конц):

KCl (тв) + H 2 SO 4 (конц) KHSO 4 + HCl

2KCl (тв) + H 2 SO 4 (конц) K 2 SO 4 + 2HCl

Солі, утворені сильними кислотами (HBr, HI, HCl, HNO 3 , HClO 4), реагують тільки з концентрованою сірчаною кислотою і тільки перебуваючи у твердому стані

Приклад 7.3. Концентрована сірчана кислота, на відміну від розведеної, реагує:

3) KNO 3 (тв);

Рішення. KF, Na 2 CO 3 і Na 3 PO 4 реагують обидві кислоти, а з KNO 3 (тв) - тільки H 2 SO 4 (конц).

Відповідь: 3).

Способи одержання кислот дуже різноманітні.

Безкисневі кислотиотримують:

• розчиненням у воді відповідних газів:

HCl (г) + H 2 O (ж) → HCl (p-p)

H 2 S (г) + H 2 O (ж) → H 2 S (р-р)

• із солей витісненням більш сильними або менш леткими кислотами:

FeS + 2HCl = FeCl 2 + H 2 S

KCl (тв) + H 2 SO 4 (кінець) = KHSO 4 + HCl

Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 SO 3

Кисневмісні кислотиотримують:

• розчиненням відповідних кислотних оксидіву воді, при цьому ступінь окислення кислотоутворюючого елемента в оксиді та кислоті залишається однаковим (виняток - NO 2):

N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

P 2 O 5 + 3H 2 O 2H 3 PO 4

• окисленням неметалів кислотами-окислювачами:

S + 6HNO 3 (кінець) = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O

• витісненням сильної кислоти із солі іншої сильної кислоти (якщо випадає нерозчинний в кислотах, що утворюються, осад):

Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 (розб) = BaSO 4 ↓ + 2HNO 3

AgNO 3 + HCl = AgCl↓ + HNO 3

• витіснення летючої кислоти з її солей менш летючою кислотою.

З цією метою найчастіше використовують нелетючу термічно стійку концентровану сірчану кислоту:

NaNO 3 (тв) + H 2 SO 4 (конц) NaHSO 4 + HNO 3

KClO 4 (тв) + H 2 SO 4 (кінець) KHSO 4 + HClO 4

• витісненням слабшої кислоти з її солей сильнішою кислотою:

Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 SO 4 = 3CaSO 4 ↓ + 2H 3 PO 4

NaNO 2 + HCl = NaCl + HNO 2

K 2 SiO 3 + 2HBr = 2KBr + H 2 SiO 3 ↓

Винна кислота: Загальний описречовини, місцезнаходження в природі, фізичні та хімічні характеристики. Властивості солей винної кислоти. Її виробництво...

Винна кислота: структурна формула, властивості, отримання та застосування

Від Masterweb

04.12.2018 15:00

Винна кислота належить до класу карбонових кислот. Свою назву ця речовина отримала через те, що основним джерелом її одержання є виноградний сік. При бродінні останнього відбувається виділення кислоти як погано розчинної калієвої солі. Основною сферою застосування цієї речовини є виробництво продукції харчової промисловості.

Загальний опис

Винна кислота відноситься до категорії ациклічних двоосновних гідрокислот, у складі яких міститься і гідроксильна, і карбоксильна групи. Такі сполуки розглядають як гідроксильні похідні карбонових кислот. Ця речовина має й інші назви:

• діоксіянтарна;
• тартарова;
• 2, 3-дигідроксибутандіова кислота.

Хімічна формула винної кислоти: С4Н6О6.

Для цієї сполуки характерна стереоізометрія, вона може існувати в 3 формах. Структурні формули винних кислот представлені малюнку нижче.

Найбільш стійкою є третя форма (мезовинна кислота). D- та L-кислоти – оптично активні, але суміш цих ізомерів, взятих в еквівалентній кількості, оптично неактивна. Таку кислоту ще називають r-або i-винною (рацемічною, виноградною). На вигляд ця речовина - це безбарвні кристали або білий порошок.

Місцезнаходження у природі

L-винна (RR-винна) і виноградна кислоти містяться в велику кількістьу винограді, продуктах його переробки, а також у кислих соках багатьох фруктів. Вперше ця сполука була виділена з винного каменю – осаду, що випадає під час виготовлення вина. Він є сумішшю виннокислого калію і кальцію.

Мезовинна кислота у природі не зустрічається. Її можна отримати лише штучним шляхом– при кип'ятінні в їдких лугах D- та L-ізомерів, а також при окисленні малеїнової кислоти або фенолу.

Фізичні характеристики

Основними фізичними властивостямивинної кислоти є:

• Молекулярна маса – 150 а. е. м.
• Температура плавлення: o D або L-ізомеру – 170 °С; o виноградної кислоти - 260 ° С; o мезовинної кислоти – 140 °С.
• Щільність – 1,66-1,76 г/см3.
• Розчинність – 135 г безводної речовини на 100 г води (за температури 20 °С).
• Теплота згоряння – 1096,7 кДж/(г∙моль).
• Питома теплоємність – 1,26 кДж/(моль∙°С).
• Молярна теплоємність – 0,189 кДж/(моль∙°С).

Кислота добре розчиняється у воді, при цьому спостерігається поглинання теплоти та зниження температури розчину.

Кристалізація з водних розчинів відбувається в гідратній формі (2С4Н6О6) ∙ Н2О. Кристали мають форму ромбічних призм. У мезовинної кислоти вони призматичні чи лускаті. При нагріванні понад 73 °З спирту кристалізується безводна форма.

Хімічні властивості

Винної кислоти, як і іншим оксикислотам, притаманні всі властивості спиртів та кислот. Функціональні групи –СООН та –OH можуть реагувати з іншими сполуками як незалежно, так і надавати взаємний впливодин на одного, що зумовлює хімічні особливості цієї речовини:

• Електролітична дисоціація. Винна кислота є сильнішим електролітом, ніж родоначальні карбонові кислоти. Найбільший ступінь дисоціації мають D- або L-ізомери, найменший – мезовинна кислота.
• Освіта кислих та середніх солей (тартратів). Найбільш поширеними з них є: кисло-виннокислий та виннокислий калій, виннокислий кальцій.
• Формування з металами хелатних комплексів, що мають різну будову. Склад цих сполук залежить від кислотності середовища.
• Освіта складних ефірівпри заміщенні -OH у карбоксильній групі.

При нагріванні L-винної кислоти до 165 ° С у продукті переважають мезовинна і виноградна кислоти, в інтервалі 165-175 ° С – виноградна, понад 175 ° С – метавинна кислота, що є смолоподібною речовиною жовтуватого забарвлення.

Виноградна кислота при нагріванні до 130 ° С у суміші з соляною кислотоючастково перетворюється на мезовинну.

Властивості солей

Серед характеристик солей винної кислоти можна виділити такі:

• Кисла калієва сіль KHC4H4O6 (гідротартрат калію, винний камінь): o погано розчинна у воді та спирті; o випадає в осад при тривалій витримці; o має вигляд безбарвних дрібних кристалів, форма яких може бути ромбічної, квадратної, шестикутної або прямокутної; o відносна щільність - 1,973.
• Виннокислий кальцій CaC4H4O6: o зовнішній вигляд – кристали ромбічної форми; o погано розчинний у воді.
• Середня калієва сіль K2C4H4∙0,5 H2O, кисла кальцієва сіль CaH2 (C4H4O6)2 – гарна розчинність у воді.

Синтез

Існує 2 види сировини для отримання винної кислоти:

• виннокисле вапно (продукт переробки вичавки, осадових дріжджів, відходів виробництва коньячного спирту з виноматеріалів);
• гідротартрат калію (утворюється у молодому вині при його охолодженні, а також при концентруванні виноградного соку).

Накопичення винної кислоти у винограді залежить від його сорту та кліматичних умов, у яких він вирощувався (у холодні роки її утворюється менше).

Виннокисле вапно спочатку очищають від домішок промиванням водою, фільтрацією, центрифугуванням. Гідроторат калію подрібнюють на кульових млинах або дробарках до розміру частинок 0,1-0,3 мм, а потім переробляють у вапно реакції обмінного осадження за допомогою хлориду і карбонату кальцію.

Отримання винної кислоти провадиться в реакторах. Спочатку в нього заливають воду після промивання гіпсового шламу, потім завантажують винний камінь із розрахунку 80-90 кг/м3. Цю масу нагрівають до 70-80 ° С, додають до неї хлористий кальцій та вапняне молоко. Розкладання винного каменю триває 3-3,5 години, після чого суспензію фільтрують і промивають.

З виннокислого вапна кислоту виділяють розкладанням H2SO4 в реакторі з кислототривкої сталі. Масу нагрівають до 85-90 °С. Надлишок кислоти в кінці процесу нейтралізують за допомогою крейди. Кислотність розчину при цьому має бути не більше 1,5. Потім розчин винної кислоти випарюють та кристалізують. Розчинений гіпс випадає в осад.

Області застосування

Застосування винної кислоти пов'язане переважно з харчовою промисловістю. Її вживання сприяє підвищенню апетиту, посиленню секреторної функції шлунка та підшлункової залози, покращенню травного процесу. Раніше винна кислота широко застосовувалася як підкислювач, але нині вона витіснена лимонною кислотою (зокрема у виноробстві під час переробки дуже стиглого винограду).

Діацетилвиннокислий ефір використовується для покращення якості хліба. Завдяки його застосуванню збільшується пористість та обсяг хлібного м'якішу, а також термін його зберігання.

Основні сфери застосування винної кислоти обумовлені її фізико-хімічними властивостями:

• підкислювач та регулятор кислотності;
• антиокислювач;
• консервант;
• каталізатор сольвеолізу водою в органічний синтезта аналітичної хімії.

У харчовій промисловості речовину використовують як добавку Е334 в такі продукти харчування, як:

• кондитерські вироби, печиво;
• овочеві та фруктові консерви;
• желе та джеми;
• слабоалкогольних напоїв, лимонад.

Метавинна кислота застосовується як стабілізатор, добавки для запобігання помутнінню вина, шампанського та появи винного каменю.

Виноробство та пивоваріння

Винну кислоту додають у сусло, якщо її рівень нижче 0,65% для червоних вин та 0,7-0,8% для білих. Коригування проводять до початку бродіння. Спочатку це роблять на дослідному зразку, потім невеликими порціями додають речовину в сусло. Якщо винної кислоти надміру, то проводять холодну стабілізацію. Інакше кристали випадають в осад у пляшках із товарним вином.

Під час виробництва пива кислоту використовують для відмивання культурних дріжджів від диких. Зараження пива останніми є причиною його помутніння та шлюбу. Додавання навіть невеликої кількості винної кислоти (0,5-1,0%) знешкоджує ці мікроорганізми.

Вулиця Київян, 16 0016 Вірменія, Єреван Сервіс +374 11 233 255

Ну і щоб завершити знайомство зі спиртами, наведу ще формулу іншої відомої речовини – холестерину. Не всі знають, що він є одноатомним спиртом!

|`/`\\`|<`|w>`\`/|<`/w$color(red)HO$color()>\/`|0/`|/\<`|w>|_q_q_q<-dH>:a_q|0<|dH>`/<`|wH>`\|dH; #a_(A-72)<_(A-120,d+)>-/-/<->`\

Гідроксильну групу в ньому я позначив червоним кольором.

Карбонові кислоти

Будь-який винороб знає, що вино має зберігатись без доступу повітря. Інакше воно скисне. Але хіміки знають причину – якщо до спирту приєднати ще один атом кисню, то вийде кислота.
Подивимося на формули кислот, які виходять із вже знайомих нам спиртів:

Речовина			Скелетна формула	Брутто-формула
Метанова кислота (мурашина кислота)	H/C`|O|\OH	HCOOH	O//\OH
Етанова кислота (оцтова кислота)	H-C-C\O-H; H|#C|H	CH3-COOH	/`|O|\OH
Пропанова кислота (метилоцтова кислота)	H-C-C-C\O-H; H|#2|H; H|#3|H	CH3-CH2-COOH	\/`|O|\OH
Бутанова кислота (олійна кислота)	H-C-C-C-C\O-H; H|#2|H; H|#3|H; H|#4|H	CH3-CH2-CH2-COOH	/\/`|O|\OH
Узагальнена формула	(R)-C\O-H	(R)-COOH або (R)-CO2H	(R)/`|O|\OH

Відмінною особливістю органічних кислот є наявність карбоксильної групи (COOH), яка і надає таким речовин кислотні властивості.

Всі, хто пробував оцет, знають, що він дуже кислий. Причиною цього є наявність у ньому оцтової кислоти. Зазвичай столовий оцет містить від 3 до 15% оцтової кислоти, а інше (здебільшого) - вода. Вживання оцтової кислоти в нерозбавленому вигляді становить небезпеку для життя.

Карбонові кислоти можуть мати декілька карбоксильних груп. У цьому випадку вони називаються: двоосновна, триосновнаі т.д...

У харчових продуктах міститься багато інших органічних кислот. Ось тільки деякі з них:

Назва цих кислот відповідає тим харчовим продуктам, у яких вони містяться. До речі, зверніть увагу, що тут зустрічаються кислоти, що мають гідроксильну групу, характерну для спиртів. Такі речовини називаються оксикарбоновими кислотами(або оксикислотами).
Внизу під кожною з кислот підписано уточнюючу назву тієї групи органічних речовин, до якої вона відноситься.

Радикали

Радикали - це ще одне поняття, яке вплинуло на хімічні формули. Саме слово, напевно, всім відомо, але в хімії радикали не мають нічого спільного з політиками, бунтівниками та іншими громадянами з активною позицією.
Тут це лише фрагменти молекул. І зараз ми розберемося, в чому їхня особливість і познайомимося з новим способом запису хімічних формул.

Вище за текстом вже кілька разів згадувалися узагальнені формули: спирти – (R)-OH та карбонові кислоти – (R)-COOH. Нагадаю, що -OH та -COOH - це функціональні групи. А ось R – це і є радикал. Не дарма він зображується у вигляді букви R.

Якщо виражатися більш точно, то одновалентним радикалом називається частина молекули, позбавлена ​​одного атома водню. Ну а якщо відібрати два атоми водню, то вийде двовалентний радикал.

Радикали у хімії отримали власні назви. Деякі з них отримали навіть латинські позначення, схожі на позначення елементів. І крім того, іноді у формулах радикали можуть бути вказані в скороченому вигляді, що більше нагадує брутто-формули.
Усе це демонструється у таблиці.

Назва	Структурна формула	Позначення	Коротка формула	Приклад спирту
Мітил	CH3-()	Me	CH3	(Me)-OH	CH3OH
Етил	CH3-CH2-()	Et	C2H5	(Et)-OH	C2H5OH
Пропив	CH3-CH2-CH2-()	Pr	C3H7	(Pr)-OH	C3H7OH
Ізопропіл	H3C\CH(*`/H3C*)-()	i-Pr	C3H7	(i-Pr)-OH	(CH3)2CHOH
Феніл	`/`=`\//-\\-{}	Ph	C6H5	(Ph)-OH	C6H5OH

Думаю, тут все зрозуміло. Хочу лише звернути увагу на стовпчик, де наводяться приклади спиртів. Деякі радикали записуються у вигляді, що нагадує брутто-формулу, але функціональна група записується окремо. Наприклад, CH3-CH2-OH перетворюється на C2H5OH .
А для розгалужених ланцюжків на зразок ізопропілу застосовуються конструкції з дужками.

Існує ще таке явище, як вільні радикали. Це радикали, які з якихось причин відокремилися від функціональних груп. У цьому порушується одне з тих правил, з яких розпочали вивчення формул: число хімічних зв'язків не відповідає валентності однієї з атомів. Ну чи можна сказати, що один із зв'язків стає незакритим з одного кінця. Зазвичай вільні радикали живуть короткий час, адже молекули прагнуть повернутися до стабільного стану.

Ознайомлення з азотом. Аміни

Пропоную познайомитися з ще одним елементом, який входить до складу багатьох органічних сполук. Це азот.
Він позначається латинською літерою Nі має валентність, що дорівнює трьом.

Подивимося, які речовини виходять, якщо до знайомих нам вуглеводнів приєднати азот:

Речовина	Розгорнута структурна формула	Спрощена структурна формула	Скелетна формула	Брутто-формула
Амінометан (метиламін)	H-C-N\H;H|#C|H	CH3-NH2	\NH2
Аміноетан (етиламін)	H-C-C-N\H;H|#C|H;H|#3|H	CH3-CH2-NH2	/\NH2
Диметиламін	H-C-N<`|H>-C-H; H|#-3|H; H|#2|H	$L(1.3)H/N<_(A80,w+)CH3>\dCH3	/N<_(y-.5)H>\
Амінобензол (Анілін)	H\N|C\C|C<\H>`//C<|H>`\C<`/H>`||C<`\H>/	NH2|C\CH|CH`//C<_(y.5)H>`\HC`||HC/	NH2|\|`/`\`|/_o
Триетиламін	$slope(45)H-C-C/N\C-C-H;H|#2|H; H|#3|H; H|#5|H;H|#6|H; #N`|C<`-H><-H>`|C<`-H><-H>`|H	CH3-CH2-N<`|CH2-CH3>-CH2-CH3	\/N<`|/>\|

Як Ви вже напевно здогадалися з назв, всі ці речовини поєднуються під загальною назвою аміни. Функціональна група ()-NH2 називається аміногрупою. Ось кілька узагальнюючих формул амінів:

Загалом ніяких особливих нововведень тут немає. Якщо ці формули Вам зрозумілі, то можете сміливо займатися подальшим вивченням органічної хімії, використовуючи якийсь підручник чи інтернет.
Але мені б хотілося ще розповісти про формули в неорганічної хімії. Ви переконаєтесь, як їх легко буде зрозуміти після вивчення будови органічних молекул.

Раціональні формули

Не слід робити висновок, що неорганічна хімія простіше, ніж органічна. Звичайно, неорганічні молекули зазвичай виглядають набагато простіше, тому що вони не схильні до утворення таких складних структуряк вуглеводні. Але доводиться вивчати більше сотні елементів, що входять до складу таблиці Менделєєва. А ці елементи мають схильність поєднуватися за хімічними властивостями, але з численними винятками.

Так от, нічого цього я не розповідатиму. Тема моєї статті – хімічні формули. А з ними якраз усе відносно просто.
Найчастіше в неорганічній хімії використовуються раціональні формули. І ми зараз розберемося, чим вони відрізняються від уже знайомих нам.

Для початку познайомимося з ще одним елементом - кальцієм. Це також дуже поширений елемент.
Позначається він Caі має валентність, що дорівнює двом. Подивимося, які сполуки він утворює з відомими нам вуглецем, киснем та воднем.

Речовина	Структурна формула	Раціональна формула	Брутто-формула
Оксид кальцію	Ca=O	CaO
Гідроксид кальцію	H-O-Ca-O-H	Ca(OH)2
Карбонат кальцію	$slope(45)Ca`/O\C|O`|/O`\#1	CaCO3
Гідрокарбонат кальцію	HO/`|O|\O/Ca\O/`|O|\OH	Ca(HCO3)2
Вугільна кислота	H|O\C|O`|/O`|H	H2CO3

При першому погляді можна помітити, що раціональна формула є чимось середнім між структурною та брутто-формулою. Але поки що не дуже зрозуміло, як вони виходять. Щоб зрозуміти зміст цих формул, слід розглянути хімічні реакції, у яких беруть участь речовини.

Кальцій у чистому вигляді – це м'який білий метал. У природі не зустрічається. Але його можна купити в магазині хімреактивів. Він зазвичай зберігається у спеціальних баночках без доступу повітря. Тому що на повітрі він вступає у реакцію із киснем. Власне тому він і не зустрічається в природі.
Отже, реакція кальцію з киснем:

2Ca + O2 -> 2CaO

Цифра 2 перед формулою речовини означає, що реакції беруть участь 2 молекули.
З кальцію та кисню виходить оксид кальцію. Ця речовина теж не зустрічається в природі, тому що він вступає в реакцію з водою:

CaO + H2O -> Ca(OH2)

Виходить гідроксид кальцію. Якщо придивитися до його структурної формули (у попередній таблиці), то видно, що вона утворена одним атомом кальцію та двома гідроксильними групами, з якими ми вже знайомі.
Такі закони хімії: якщо гідроксильна група приєднується до органічній речовині, Виходить спирт, а якщо до металу - то гідроксид.

Але й гідроксид кальцію не зустрічається у природі через наявність у повітрі вуглекислого газу. Думаю, що всі чули про цей газ. Він утворюється при диханні людей і тварин, згорянні вугілля та нафтопродуктів, при пожежах та виверженнях вулканів. Тому він завжди присутній у повітрі. Але ще він досить добре розчиняється у воді, утворюючи вугільну кислоту:

CO2 + H2O<=>H2CO3

Знак<=>говорить про те, що реакція може проходити в обидві сторони за однакових умов.

Таким чином, гідроксид кальцію, розчинений у воді, вступає в реакцію з вугільною кислотою і перетворюється на малорозчинний карбонат кальцію:

Ca(OH)2 + H2CO3 -> CaCO3"|v" + 2H2O

Стрілка вниз означає, що в результаті реакції речовина випадає в осад.
При подальшому контакті карбонату кальцію з вуглекислим газому присутності води відбувається оборотна реакція утворення кислої солі- гідрокарбонату кальцію, який добре розчинний у воді

CaCO3 + CO2 + H2O<=>Ca(HCO3)2

Цей процес впливає жорсткість води. При підвищенні температури гідрокарбонат обернено перетворюється на карбонат. Тому в регіонах із жорсткою водою у чайниках утворюється накип.

З карбонату кальцію значною мірою складаються крейда, вапняк, мармур, туф та багато інших мінералів. Також він входить до складу коралів, раковин молюсків, кісток тварин тощо.
Але якщо карбонат кальцію розжарити на дуже сильному вогні, то він перетвориться на оксид кальцію та вуглекислий газ.

Ця невелика розповідь про кругообіг кальцію в природі має пояснити, для чого потрібні раціональні формули. Так ось, раціональні формули записуються так, щоб було видно функціональні групи. У нашому випадку це:

З іншого боку, окремі елементи - Ca, H, O(в оксидах) - теж є самостійними групами.

Іони

Думаю, що настав час знайомитися з іонами. Це слово, напевно, всім знайоме. А після вивчення функціональних груп нам нічого не варто розібратися, що ж являють собою ці іони.

Загалом, природа хімічних зв'язків зазвичай у тому, що одні елементи віддають електрони, інші вони отримують. Електрони – це частинки з негативним зарядом. Елемент із повним набором електронів має нульовий заряд. Якщо він віддав електрон, його заряд стає позитивним, і якщо прийняв - то заперечним. Наприклад, водень має лише один електрон, який він досить легко віддає, перетворюючись на позитивний іон. Для цього існує спеціальний запис у хімічних формулах:

H2O<=>H^+ + OH^-

Тут ми бачимо, що в результаті електролітичної дисоціаціївода розпадається на позитивно заряджений іон водню та негативно заряджену групу OH. Іон OH^- називається гідроксид-іон. Не слід плутати його з гідроксильною групою, яка є не іоном, а частиною якоїсь молекули. Знак + або – у верхньому правому кутку демонструє заряд іона.
А ось вугільна кислота ніколи не існує у вигляді самостійної речовини. Фактично, вона є сумішшю іонів водню та карбонат-іонів (або гідрокарбонат-іонів):

H2CO3 = H^+ + HCO3^-<=>2H^+ + CO3^2-

Карбонат-іон має заряд 2-. Це означає, що до нього приєдналися два електрони.

Негативно заряджені іони називаються аніони. Зазвичай до них належать кислотні залишки.
Позитивно заряджені іони - катіони. Найчастіше це водень та метали.

І ось тут, напевно, можна повністю зрозуміти зміст раціональних формул. У них спочатку записується катіон, а за ним – аніон. Навіть якщо формула не містить жодних зарядів.

Ви, напевно, вже здогадуєтеся, що іони можна описувати не лише раціональними формулами. Ось скелетна формула гідрокарбонат-аніону:

Тут заряд вказаний безпосередньо біля атома кисню, який отримав зайвий електрон, і тому втратив одну рису. Простіше кажучи, кожен зайвий електрон зменшує кількість хімічних зв'язків, що зображуються у структурній формулі. З іншого боку, якщо у якогось вузла структурної формули стоїть знак +, то він з'являється додаткова паличка. Як завжди, подібний факт слід продемонструвати на прикладі. Але серед знайомих нам речовин не зустрічається жодного катіону, який складався б із кількох атомів.
А такою речовиною є аміак. Його водний розчин часто називається нашатирний спиртта входить до складу будь-якої аптечки. Аміак є сполукою водню та азоту і має раціональну формулу NH3. Розглянемо хімічну реакцію, яка відбувається при розчиненні аміаку у воді:

NH3 + H2O<=>NH4^+ + OH^-

Те саме, але з використанням структурних формул:

H|N<`/H>\H + H-O-H<=>H|N^+<_(A75,w+)H><_(A15,d+)H>`/H + O`^-#-H

У правій частині ми бачимо два іони. Вони утворилися через те, що один атом водню перемістився з молекули води в молекулу аміаку. Але це атом перемістився без свого електрона. Аніон нам уже знайомий – це гідроксид-іон. А катіон називається амоній. Він виявляє властивості, схожі на метали. Наприклад, може об'єднатися з кислотним залишком. Речовина, утворена сполукою амонію з карбонат-аніоном називається карбонат амонію: (NH4)2CO3.
Ось рівняння реакції взаємодії амонію з карбонат-аніоном, записане у вигляді структурних формул:

2H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H + O^-\C|O`|/O^-<=>H|N^+<`/H><_(A75,w+)H>_(A15,d+)H`|0O^-\C|O`|/O^-|0H_(A-15,d-)N^+<_(A105,w+)H><\H>`|H

Але у такому вигляді рівняння реакції дано у демонстраційних цілях. Зазвичай рівняння використовують раціональні формули:

2NH4^+ + CO3^2-<=>(NH4)2CO3

Система Хілла

Отже, можна вважати, що ми вже вивчили структурні та раціональні формули. Але є ще одне питання, яке варто розглянути докладніше. Чим же все ж таки відрізняються брутто-формули від раціональних?
Ми знаємо, чому раціональна формула вугільної кислоти записується H2CO3, а не якось інакше. (Спочатку йдуть два катіони водню, а за ними карбонат-аніон). Але чому брутто-формула записується CH2O3?

В принципі, раціональна формула вугільної кислоти цілком може вважатися справжньою формулою, адже в ній немає елементів, що повторюються. На відміну від NH4OH або Ca(OH)2.
Але до брутто-формулам дуже часто застосовується додаткове правило, що визначає порядок прямування елементів. Правило досить просте: спочатку встановлюється вуглець, потім водень, а далі інші елементи в алфавітному порядку.
Ось і виходить CH2O3 – вуглець, водень, кисень. Це називається системою Хілла. Вона використовується практично у всіх хімічних довідниках. І у цій статті теж.

Трохи про систему easyChem

Замість укладання мені хотілося б розповісти про систему easyChem. Вона розроблена для того, щоб усі формули, які ми тут обговорювали, можна було легко вставити в текст. Власне, усі формули в цій статті намальовані за допомогою easyChem.

Навіщо взагалі потрібна якась система для виведення формул? Справа в тому, що стандартний спосіб відображення інформації в інтернет-браузерах - це мова гіпертекстової розмітки (HTML). Він спрямований на обробку текстової інформації.

Раціональні та брутто-формули цілком можна зобразити за допомогою тексту. Навіть деякі спрощені структурні формулитакож можуть бути записані текстом, наприклад спирт CH3-CH2-OH . Хоча для цього довелося б у HTML використовувати такий запис: CH ₃-CH ₂-OH.
Це, звичайно, створює деякі труднощі, але з ними можна змиритися. Але як зобразити структурну формулу? В принципі, можна використовувати моноширинний шрифт:

H H | | H-C-C-O-H | | H H Виглядає звичайно не дуже красиво, але теж можна здійснити.

Дана проблема виникає при спробі зобразити бензольні кільця та при використанні скелетних формул. Тут немає іншого шляху, крім підключення растрового зображення. Растри зберігаються в окремих файлах. Браузери можуть підключати зображення у форматі gif, png або jpeg.
Для створення таких файлів потрібний графічний редактор. Наприклад, Фотошоп. Але я більше 10 років знайомий із Фотошопом і можу сказати точно, що він дуже погано підходить для зображення хімічних формул.
Набагато краще з цим завданням справляються молекулярні редактори. Але при великій кількості формул, кожна з яких зберігається в окремому файлі, досить легко заплутатися в них.
Наприклад, число формул у цій статті дорівнює . З них виведені у вигляді графічних зображень (інші за допомогою засобів HTML).

Система easyChem дозволяє зберігати всі формули прямо в HTML-документі у текстовому вигляді. На мою думку, це дуже зручно.
Крім того, брутто-формули у цій статті обчислюються автоматично. Тому що easyChem працює у два етапи: спочатку текстовий опис перетворюється на інформаційну структуру (граф), а потім із цією структурою можна виконувати різні дії. Серед них можна відзначити такі функції: обчислення молекулярної маси, перетворення на брутто-формулу, перевірка на можливість виведення у вигляді тексту, графічне та текстове малювання.

Таким чином, для підготовки цієї статті я скористався лише текстовим редактором. Причому мені не довелося думати, яка з формул буде графічною, а яка - текстовою.

Ось кілька прикладів, що розкривають секрет підготовки тексту статті: Описи з лівого стовпця автоматично перетворюються на формули у другому стовпці.
У першому рядку опис раціональної формули дуже схоже на результат, що відображається. Різниця лише тому, що числові коефіцієнти виводяться підрядковим.
У другому рядку розгорнута формула задана в вигляді трьохокремих ланцюжків, розділених символом; Я думаю, неважко помітити, що текстовий опис багато в чому нагадує ті дії, які були б потрібні для зображення формули олівцем на папері.
У третьому рядку демонструється використання похилих ліній за допомогою символів \/. Значок (зворотний апостроф) означає, що лінія проводиться праворуч наліво (або знизу вгору).

Тут є набагато докладніша документація щодо використання системи easyChem.

На цьому дозвольте закінчити статтю та побажати успіхів у вивченні хімії.

Короткий тлумачний словник використаних у статті термінів

Вуглеводні Речовини, що складаються з вуглецю та водню. Відрізняються одна від одної структурою молекул. Структурні формули схематичні зображення молекул, де атоми позначаються латинськими літерами, а хімічні зв'язки- Чортками. Структурні формули бувають розгорнутими, спрощеними та скелетними. Розгорнуті структурні формули – такі структурні формули, де кожен атом представлений у вигляді окремого вузла. Спрощені структурні формули - такі структурні формули, де атоми водню записані поруч із тим елементом, з яким пов'язані. А якщо до одного атома кріпиться більше одного водню, кількість записується у вигляді числа. Так само можна сказати, що як вузли у спрощених формулах виступають групи. Скелетні формули - структурні формули, де атоми вуглецю зображуються як порожніх вузлів. Число атомів водню, пов'язаних з кожним атомом вуглецю, дорівнює 4 мінус число зв'язків, які сходяться у вузлі. Для вузлів, утворених не вуглецем, застосовуються правила спрощених формул. Брутто-формула (вона ж справжня формула) – список усіх хімічних елементів, які входять до складу молекули, із зазначенням кількості атомів у вигляді числа (якщо атом один, то одиниця не пишеться) Система Хілла - правило, що визначає порядок проходження атомів у брутто-формулі: першим ставиться вуглець, потім водень, а далі інші елементи алфавітному порядку. Це ж система використовується дуже часто. І всі брутто-формули у цій статті записані за системою Хілла. Функціональні групи Стійкі поєднання атомів, що зберігаються у процесі хімічних реакцій. Часто функціональні групи мають власні назви, впливають на хімічні властивості та наукову назву речовини

Кислоти- Це складні речовини, молекули яких складаються з атомів водню, здатних заміщатися, та кислотних залишків.

Кислотний залишок має негативний заряд.

Безкисневі кислоти: HCl, HBr, H 2 S і т.д.

Елемент, який разом з атомами водню та кисню утворює молекулу кисневмісної кислоти, називають кислотоутворюючим.

За кількістю молекули атомів водню кислоти поділяють на одноосновніі багатоосновні.

Одноосновні кислоти містять один атом водню: HCl, HNO 3 HBR і т.д.

Багатоосновні кислоти містять два і більше атомів водню: H2SO4(двоосновна), H3PO4(триосновна).

У безкисневих кислотах до назви елемента, що утворює кислоту, додають сполучну голосну «про» та слова «… воднева кислота». Наприклад: HF – фтороводнева кислота.

Якщо кислотоутворюючий елемент виявляє максимальний ступінь окислення (вона відповідає номеру групи), то до назви елемента додають «...накислота». Але приклад:

HNO 3 - азотн а якислота (бо атом азоту має максимальний ступінь окислення +5)

Якщо ступінь окислення елемента нижче максимального, то додають «... справжнякислота»:

1+3-2
HNO 2 – азот справжнякислота (бо кислотоутворюючий елемент N має мінімальний ступінь окислення).

H 3 PO 4 – ортофосфорна кислота.

HPO 3 – метафосфорна кислота.

Структурні формули кислот.

У молекулі кисневмісної кислоти атом водню пов'язаний з атомом кислотоутворюючого елемента через атом кисню. Тому при складанні структурної формули до атома кислотоутворюючого елемента в першу чергу потрібно приєднати всі гідроксид-іони.

Потім атоми кисню, що залишилися, двома рисками з'єднати безпосередньо з атомами кислотоутворюючого елемента (рис.2).